项目一 管壳式换热器的操作与养护
一、操作前准备知识
（一）管壳式换热器的结构
管壳式换热器（图4-1）主要由壳体、换热管、管板（又称花板）和管箱（又称封头）等部件组成。 换热管5安装在壳体1内，两端固定在管板3上，固定的方法一般用胀管器使管子胀大变形而固定在管板的孔中，称为胀管法。管箱4用螺栓与壳体两端的法兰相连，必要时，可将管箱拆除，以进行检修或清洗。
图4-1 管壳式换热器
1—壳体；2—支座；3—管板；4—管箱；5—换热管；6—折流板
（二）管壳式换热器的工作原理
冷热流体在管程或壳程中流动，两者不相混合，热量先由热流体经对流传热传给管壁，再通过热传导将热量传递给管壁另一侧，该侧热量通过冷流体的对流传热进行热交换，把热量传递给冷流体，达到传热的目的。
二、标准操作规程
（一）开车前的准备工作
（1）检查压力表、温度计、安全阀、液位计是否齐全完好。
（2）检查螺栓的紧固，以保证压紧垫片。
（3）检查与换热器连接的各阀门开关是否正确。
（4）投用前的换热器，应按规定进行水压试验，试压压力是设计压力的1.25～1.5倍。试压时应检查胀接处、焊口、管箱垫片、连接阀处、小浮头处有无泄漏，如有泄漏则进行处理。试压完毕后的换热器，应放尽换热器中的存水，以免引起水击和汽化而损坏内件。
（5）换热器的主体与附件用法兰螺栓连接、垫片密封，由于材质不同，升温过程中各部分膨胀不均，易造成法兰松弛而引起介质的泄漏，因此在换热器开车过程中，应进行热紧。
（二）开车操作
（1）开启冷流体进口阀和放空阀，向换热器注液至规定液位。
（2）缓慢开启热流体阀门，先预热后加热，以防换热管和壳体密封处温差过大引起泄漏或损坏。
（3）根据工艺要求调节冷热流体的流量，使其达到所需的温度。
（三）停车
换热器的停车方法和开车方法相反。应先关热源后关冷源、先关进口再关出口。
（1）停车前先停泵，切断电源。
（2）停泵后，先缓慢地关闭热介质进口阀门，再关闭冷介质的进口阀门。最后关闭两介质的出口阀门。
（3）打开管线和设备上的放空阀，放空冷、热介质。
（4）停用完毕后，对换热器进行压缩空气或蒸汽吹扫。吹扫时，应关闭进出口阀，打开放空阀。
三、安全操作注意事项
（1）严禁超温、超压操作。
（2）换热器不得在超过铭牌规定条件下使用。
（3）检修前，切断相连的工艺管路，清除物料并释放换热器内的压力。
（4）在投用过程中，换热器应先开冷源再开热源，先开出口再开进口，这是因为如果先加入热流体会造成各部件热胀，后进冷介质又会使各部件急剧收缩，这种剧烈的一胀一缩极易造成密封的泄漏。
（5）严禁盲目改变换热器结构和材质或对焊缝不探伤检查等操作，避免造成换热器的强度大大降低，导致发生爆炸事故。
（6）严禁操作违章、操作失误、阀门关闭、长期不排污等，以免引起超压爆炸。
四、维护与保养
（1）应定期对管程、壳程介质的温度及压降进行监测，分析换热器的工作情况。防止介质流量、温度、压力的急剧变化，超温、超压都将引起换热器的泄漏。
（2）监测进、出口压力差变化，可判断换热器的结垢情况、堵塞情况和泄漏情况。高压流体向低压流体泄漏，会使低压流体压力上升，高压介质压降增大，会产生污染和其他后果。操作时若发现压力骤变，除检查换热器本身问题外，还应考虑其他因素，如管路是否畅通等。
（3）定时检查换热器有无外漏。换热器的外漏容易发现，一般由螺栓松动或垫片损坏引起密封面泄漏，或由于设备的焊接部分有砂眼或裂缝、法兰接头及配管连接部分的缺陷等引起，可根据情况及时处理。
（4）定时检查换热器有无内漏，如因管子腐蚀、磨损引起的减薄和穿孔；因龟裂、腐蚀、震动而使扩管部分松脱；因与挡板接触而引起的磨损、穿孔；浮动头盖的紧固螺栓松开、折断及这些部分的密封垫片劣化等。换热器的内漏不易发现，只能通过介质温度、压力和流量等的变化、出现异声或震动等现象来分析判断；也可在冷却水出口管道上接取样管，定期取样检查有无被冷却的介质混入，以判断冷却器的内漏。换热器的内漏使冷、热两种流体混合，从安全方面考虑，应立即对装置进行拆开检查。
（5）定期检查地脚螺栓是否松开，水泥基础是否裂开、脱落，钢支架脚是否异常变形、损伤劣化。
（6）定期检查保温、保冷装置的外部有无损伤情况，特别是覆在外部的防水层及支脚容易损伤，所以要注意检查。
（7）定期检查外面涂料的劣化情况。
（8）定期检查主体及连接配管有无发生异常震动和异响。如发生异常情况，则要查明其原因并采取必要的措施。
（9）定期检查和清除管程和壳程的结垢，可用机械法和化学法清除。化学除垢后应用清水清洗干净。
（10）使用超声波等非破坏性的厚度测定方法定期测定换热器的厚度，及时发现异常腐蚀。
（11）冬季停用时，及时排放设备内的介质。
五、常见故障及处理方法
管壳式换热器的常见故障及处理方法见表4-1。
表4-1 管壳式换热器的常见故障及处理方法
续表
六、相关知识链接
（一）浮头式换热器
当壳体与管束间的温差比较大而管束空间也经常清洗时，可以采用浮头式换热器，结构如图4-2所示。换热器两端的管板有一端不与壳体相连，可以沿管长方向在壳体内自由伸缩（此端称为浮头），从而解决热补偿问题。另外一端的管板仍用法兰与壳体相连接，因此整个管束可以由壳体中拆卸出来，对检修和管内、管外的清洗都比较方便，所以浮头式换热器的应用较为广泛。但缺点是结构比较复杂，金属消耗量多，造价因此也较高。
图4-2 浮头式换热器结构
1—壳盖；2—浮头；3—浮动管板；4—浮头法兰；5—壳体；6—固定管板；7—管程隔板；8—壳程隔板
（二）U形管式换热器
U形管式换热器的每根管子都弯成U形，管子的两端分别安装在同一固定管板的两侧，并用隔板将封头隔成两室。由于每根管子都可以自由伸缩，且与其他管子和外壳无关，故即使壳体与管子间的温差很大时，也可使用。缺点是管内的清洗比较困难。
（三）板式换热器
板式换热器具有传热效果好、结构紧凑等优点，是新型换热器的一种。在温度不太高和压力不太大的情况下，应用板式换热器比较有利。
1.普通板式换热器
板式换热器由传热板片、密封垫片和压紧装置三部分组成，详细结构如图4-3所示。作为传热面的板片可以用不同的金属（如不锈钢、黄铜、铝合金等）薄板压制成型。由于板片厚度一般仅为0.5～3mm，其刚度不够，通常将板片压制成各种槽形或波纹形的表面。这样不仅增强了刚度以防板片受压时变形，而且也增强了流体的湍动程度，并加大了传热面积。每片板的四个角各开一个孔，板片周边与孔的周围压有密封垫片槽。密封垫片也是板式换热器的重要组成部分，一般由各种橡胶、压缩石棉或合成树脂制成。装置时先用黏结剂将垫片粘牢在板片密封槽中，孔的周围部分槽中根据流体流动的需要来放置垫片，从而起到允许或阻止流体进入板面之间的通道的作用。将若干块板片按换热要求依次排列在支架上，由压板借压紧螺杆压紧后，相邻板间就形成了流体的通道。借助板片四角的孔口与垫圈的恰当布置，使冷、热流体分别在同一板片两侧的通道中流过并进行传热。除两端的板外，每一板片都是传热面。采用不同厚度的垫片，可以调节通道的宽窄。板片数目可以根据工艺条件的变化而增减。
图4-3 普通平板式换热器结构
1—固定压紧板；2—板片；3—垫片；4—上导杆； 5—中间隔板；
6—滚动装置；7—活动压紧板；8—前支柱；9—夹紧螺栓螺母；10—下导杆
板式换热器的主要优点：①传热系数高；②结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大；③操作灵活性大；④金属消耗量低；⑤板片加工制造，以及检修、清洗都比较方便。
板式换热器的主要缺点：①允许的操作压力比较低；②操作温度不能太高；③处理量不大。
2.螺旋板式换热器
螺旋板式换热器如图4-4所示。由两张薄板平行卷制而成，如此形成两个相互隔开的螺旋形通道。两板之间焊有定距柱用于保持其间的距离，同时可增强螺旋板的刚度。在换热器中心装有隔板，使两个螺旋通道分隔开。在顶部和底部有盖板或封头，以及两流体的出入口接管。一般由一对进出口位于圆周边上，而另一对进出口则设在圆鼓的轴心上。冷热两流体以螺旋板为传热面分别在板片两边的通道内做逆流流动并进行换热。
图4-4 螺旋板式换热器
1，2—金属板；3—隔板；4，5—冷流体接管
螺旋板式换热器的主要优点：①传热系数高；②不易结垢和堵塞；③可在较小的温差下进行操作，能充分利用温度较低的热源；④结构紧凑，制作简便。
螺旋板式换热器的主要缺点：①操作压力和温度不能太高；②不易检修；③阻力损失较大。
3.板翅式换热器
板翅式换热器是一种轻巧、紧凑、高效的换热器，由若干基本元件和集流箱等部分组成。基本元件是由各种形状的翅片、平隔板、侧封条组装而成。在两块平行薄金属板（平隔板）间，夹入波纹状的翅片，两边以侧封条密封，即组成一个基本元件（单元件）。根据工艺要求，将各单元件进行不同的叠积或适当排列，并用钎焊焊成一体，得到的组装件称为芯部或板束。 常用的是逆流和错流式换热器组装件，然后再将带有流体进出口的集流箱焊接到板束上，就组成了完整的板翅式换热器，我国目前最常用的翅片形式主要有光直形翅片、锯齿形翅片和多孔形翅片三种，结构如图4-5所示。
图4-5 板翅式换热器结构
1—平隔板；2—侧封条；3—翅片（二次表面）
板翅式换热器的特点：①结构紧凑，适应性强；②传动系数大；③制造工艺比较复杂，清洗和检修困难。
七、拓展知识链接
（一）管壳式换热器的选用
在选用管壳式换热器时，一般说流体的处理量和它们的物性是已知的，其进、出口温度由工艺要求决定，然而，冷热两流体的流向，哪个走管内、哪个走管外尚待确定。在使用过程中应注意流程、流速的选择。
（1）不洁净或易于分解结垢的物料应当流经易于清洗的一侧。对于直管管束，上述物料一般应走管内，但当管束可以拆出清洗时，也可以走管外。
（2）需要提高流速以增大其对流系数的流体应当走管内，因为管内截面积通常比管间的截面积小，而且易于采用多管程以增大流速。
（3）具有腐蚀性的物料应走管内，这样可以用普通材料制造壳体，仅仅管子、管板和封头要采用耐蚀材料。
（4）压力高的物料走管内，这样外壳可以不承受高压。
（5）温度很高（或很低）的物料应走管内以减少热量（或冷量）的散失。如果为了更好地散热，也可以让高温的物料走壳程。
（6）蒸汽一般通入壳程，因为这样便于排出冷凝液，而且蒸汽较清洁，其对流传热系数又与流速关系较小。
（7）黏度大的流体一般在壳程空间流过，低流速下可以达到湍流，有利于提高管外流体的对流传热系数。
以上各点常常不可能同时满足，而且有时还会互相矛盾，故应根据具体情况，抓住主要矛盾，做出适宜的决定。
流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响对流传热系数的数值，而且影响污垢热阻。从而影响总传热系数的大小。特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响设备的使用。但增大流速又会使压力损失显著增大，因此选择适宜的流速十分重要。管壳式换热器内常用的流速范围见表4-2。
表4-2 管壳式换热器内常用的流速范围
（二）传热相关计算
1.热负荷Q的计算
在工程上，把单位时间内需要移出或输入的热量叫作热负荷。如果没有热损失，热负荷就是传热速率。在换热器中，管道内部空间称为管程，管道夹套空间称为壳程。通常热流体作管程，冷流体走壳程。当两种流体分别通过管程和壳程时，即发生热交换过程。高温流体对间壁传递热量，间壁通过热传导将热量从高温侧传递到低温侧，低温侧间壁将热量通过对流传热传递给冷流体。
如不考虑间壁上的热损失，根据能量守恒定律，在单位时间内，热流体放出的热量应等于冷流体吸收的热量，亦即等于传热速率。即：
Q放=Q吸=Q
① 无相变的热负荷：若两流体均无相变化，则
Q=WhCph（T1-T2）=WcCpc（t2-t1）
② 有相变的热负荷：若有相变，如液体沸腾、蒸汽冷凝等，则
Q=Whγ=WcCpc（t2-t1）
式中 Wh、Wc——高温流体和低温流体的质量流量，kg/s；
Cph、Cpc——高温流体和低温流体的定压比热容，J/（kg·K）；
γ——饱和蒸汽的冷凝潜热，在数值上等于液体的汽化潜热，J/kg。
2.总传热系数的计算
高温流体在管程流动，低温流体在壳程流动，假设壳程为圆管，且管程内壁直径为di，管程外壁直径为do，管壁厚度为b，则总热阻是两次对流传热阻力与一次热传导阻力之和：
R=Ri+Rd+Ro
根据热阻的定义可得：
式中，K为总传热系数，W/（m2· ℃）。
以外表面积为基准的总传热系数计算公式为：
若换热器表面有污垢，对传热会产生附加热阻，称为污垢热阻，用Rsi和Rso分别表示内、外壁的污垢热阻。因存在污垢热阻，总传热系数表达式应修改为：
3.总传热速率方程
冷、热流体通过间壁的传热是三个环节的串联过程。对于定态传热，总传热速率与换热器的传热面积成正比，与换热器的平均温度差和换热器的总传热系数成正比。总传热速率方程式为：
Q=KSΔtm
式中 K——总传热系数，W/（m2· ℃）；
S——传热面积，m2；
Δtm——传热平均温度差，℃。
4.传热平均温度差Δtm的计算
根据两流体沿换热壁面流动时各点温度的变化，冷热流体之间的平均温度之差可以分为恒温传热和变温传热两种情况。
（1）恒温传热平均温度差的计算方法 若换热器间壁两侧都有相变化，冷热流体所进行的热交换就是恒温传热。冷热流体不随传热时间、管道长短变化而改变。两者之间的温差在任何时间、任何位置都相等。即：
Δtm=T-t
（2）变温传热平均温度差的计算方法 间壁一侧或两侧流体的温度随传热壁面位置的改变而变化，与传热时间无关，称为定态变温换热；如果流体的温度随换热器壁面和传热时间而改变，称为非定态换热。制药生产过程中的换热基本上是定态变温换热。
对于间壁换热，冷热流体相对流动方式有并流、逆流、错流、折流等多种形式。不同形式的流动，冷热两流体的平均温度差不尽相同。下面只介绍并流与逆流的传热平均温度差的计算方法。
设热流体的进口温度为T1，出口温度为T2，冷流体的进口温度为t1，出口温度为t2。Δt1和Δt2分别是冷热流体进口温度差和出口温度差，取较大值为Δt2，则并流和逆流时的传热平均温度差可用下式计算：
Δtm=